Leder efter sammenfiltrede atomer i et Bose-Einstein-kondensat

Ved hjælp af et Bose-Einstein-kondensat sammensat af millioner af natriumatomer, forskere ved Georgia Institute of Technology har observeret en skarp magnetisk induceret kvantefaseovergang, hvor de forventer at finde sammenfiltrede atompar. Værket bevæger forskere tættere på en undvigende sammenfiltret tilstand, der ville have potentielle sanse- og computerapplikationer ud over sine grundlæggende videnskabelige interesser.

Anvendelse af sammenfiltrede atomer fra et kondensat kan forbedre følsomheden og reducere støj ved at registrere meget små ændringer i fysiske egenskaber, såsom magnetfelter eller rotation. Og det kan også danne grundlag for kvantecomputere, der er i stand til at udføre bestemte beregninger meget hurtigere end konventionelle digitale computere.

Sponsoreret af National Science Foundation, forskningen blev rapporteret 23. januar som en hurtig kommunikation i tidsskriftet Fysisk gennemgang A .

"Vi har defineret et vindue, hvor vi forventer at kunne observere sammenfiltring, "sagde Chandra Raman, lektor ved Georgia Tech School of Physics. "Vi ved nu, hvor vi skal lede efter det, og vi ved, hvordan vi skal lede efter det. "

Raman og tidligere kandidatstuderende Anshuman Vinit har studeret Bose-Einstein-kondensater (BEC'er) som en kilde til sammenfiltring, søger at udnytte systemets kvante renhed til at skabe betingelser, hvor korrelation mellem atomer kan forekomme. BEC'er indeholder normalt ikke sammenfiltrede atomer.

"Vi fandt måder at konstruere systemet til at skabe sammenfiltring, "Forklarede Raman." Vi kiggede på systemets adfærd, da vi indstillede magnetfeltet meget tæt på fasegrænsen og viste, at grænsen havde et meget skarpt defineret punkt. Vi var i stand til at løse den grænse med et niveau af usikkerhed, vi ikke troede, vi kunne få, før vi lavede forsøget. "

Teoretiske forudsigelser har antydet, at ved grænsen mellem forskellige magnetiske faser af et spinor-Bose-Einstein-kondensat, forskere ville finde en sammenfiltret kvantetilstand af alle atomerne. I spinoren kondenserer Bose-Einstein, de enkelte magnetiske øjeblikke behøver ikke at have en veldefineret orientering i rummet, men hellere, kan eksistere i en superposition af forskellige orienteringer.

I deres eksperiment, forskerne identificerede to faser:antiferromagnetisk og polær. I polarfasen, atomer alle justerer deres øjeblikke lodret, i den antiferromagnetiske fase, de er vandret justeret. I en BEC præcis på grænsen mellem disse faser, teoretikere havde forudsagt eksistensen af ​​en kvantemekanisk superposition af alle mulige justeringer, en sammenfiltret tilstand.

Forskerne har endnu ikke observeret den sammenfiltrede tilstand endnu, men deres arbejde har hidtil defineret et eksperimentelt vindue, inden for hvilket man kan lede efter nye fysiske effekter, der styrer forskellige magnetiske faser, eller at generere sammenfiltrede tilstande, der er relevante for kvantebaserede systemer.

Tidligere forskning i Ramans laboratorium havde produceret de to faser, men grænsen mellem dem blev "udsmurt" af magnetiske feltinhomogeniteter. Ved at udjævne magnetfeltet, så det var mere ensartet, forskerne var i stand til at fjerne variationerne for at producere en skarp grænse mellem faserne.

I det snævert definerede overgangsområde, der er identificeret i forskningen, atomer rives mellem de to faser, forårsager sammenfiltrede par, Sagde Raman. Staten kan være stabil nok til at finde praktiske anvendelser, selvom forskere ikke ved det med sikkerhed, før de rent faktisk kan observere og måle egenskaberne.

Forskerne målte grænsen i deres system ved at "springe" magnetfeltet fra en del af BEC til en anden. Trækket skabte en dynamisk ustabilitet i atomsystemet; jo større ustabilitet, jo mindre tid systemet krævede for at vende tilbage til ligevægt, som forudsagt af kvanteteori.

Forskerne mener nu, at de har sat scenen for at observere forvikling i en mindre gruppe af atomer, måske ikke mere end tusinde.

"På vores nuværende følsomhed, vi tror, ​​vi kunne observere disse spin-korrelerede tilstande med et rimeligt antal partikler, "Sagde Raman." Vi tror, ​​at det er eksperimentelt muligt, og da vi kan måle grænsen med præcision, vi kan begynde at teste teorierne om adfærd i dette regime. "

Når det er vist, det store ensemble af atomer kunne opdeles i mange mindre grupper, der opererer uafhængigt, hver med fasegrænser, der indeholder sammenfiltrede atomer.

Selvom Raman finder den grundlæggende videnskab og kvanteberegning interessant, han er lige så begejstret for potentielle sanseapplikationer.

"Hvis du kunne reducere støjniveauet ved smart brug af kvantemekaniske superpositioner, du kunne realisere sensorer, der er mere præcise og kunne registrere mindre effekter, "sagde han." Ved kvantemåling kunne du bruge sammenfiltring til at øge målingernes præcision til niveauer, der, i klassiske sensorsystemer, ville have et højere støjniveau. "

I klassiske oscillerende systemer såsom møntkast, hver flip er et uafhængigt system og har et bestemt støjniveau. Men på grund af sammenhængen, atomparene ville ikke længere være uafhængige systemer.

"I et almindeligt klassisk system, der er en vis støj, der har at gøre med, at du foretager målinger på uafhængige systemer, "sagde han." I kvantesystemer, det er muligt at undertrykke den støj, hvis atomerne er korreleret. Det er som om mønterne talte til hinanden. "

Kvantesensorer kan derfor muligvis registrere ændringer i rotation eller magnetisk variation, der er for små til nutidens sensorer. Andre anvendelser kan findes i spektroskopisk måling, Sagde Raman.